王 闖,于曉東
(1. 遼寧省沈陽(yáng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,遼寧 沈陽(yáng) 110167;2. 沈陽(yáng)環(huán)境科學(xué)研究院,遼寧 沈陽(yáng),110167)
近年來(lái),隨著城市化規(guī)模的擴(kuò)大和工業(yè)化的迅速發(fā)展,大氣環(huán)境日益惡化,環(huán)境空氣質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越被廣大人民群眾所關(guān)注[1-3]。2013 年起國(guó)家實(shí)施環(huán)境空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn),完善了污染物項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)規(guī)范,提高了數(shù)據(jù)有效性要求,有利于進(jìn)一步保護(hù)公眾健康,環(huán)境空氣質(zhì)量管理由一次污染物控制向二次污染物為主的復(fù)合污染控制轉(zhuǎn)變。同年,國(guó)家頒布并實(shí)施《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》[4]明確提出重點(diǎn)省市需要建立重污染天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警體系,提升空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)預(yù)警能力,環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)工作作為大氣污染防控及重污染預(yù)警的基礎(chǔ)工作,已成為環(huán)境監(jiān)測(cè)部門核心業(yè)務(wù)之一,而預(yù)報(bào)方法的準(zhǔn)確性決定了其可用性,對(duì)預(yù)報(bào)模式效果評(píng)估是實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)預(yù)警的前提。
目前應(yīng)用范圍較廣的環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)方法有統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)法[5]和數(shù)值預(yù)報(bào)法[6-7]。統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)法[8-10]簡(jiǎn)單易行、成本低,適合短期預(yù)報(bào),但缺少確定性污染機(jī)理,難以捕捉重污染過(guò)程且重污染預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率偏低;數(shù)值預(yù)報(bào)法對(duì)于區(qū)域性長(zhǎng)期預(yù)報(bào)有一定優(yōu)勢(shì),但在技術(shù)及硬件設(shè)施方面投入較大。其中,集合預(yù)報(bào)法同時(shí)運(yùn)行多個(gè)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模式,準(zhǔn)確率較高。目前數(shù)值預(yù)報(bào)是包括沈陽(yáng)市在內(nèi)新疆[11]、江蘇[12]和河南[13]省多城市預(yù)報(bào)工作選擇的主要預(yù)報(bào)手段。沈陽(yáng)市2018 年建立環(huán)境空氣質(zhì)量多模式預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng),現(xiàn)選取系統(tǒng)中國(guó)際主流預(yù)報(bào)模式中第三代空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)和評(píng)估系統(tǒng)空氣質(zhì)量模式(congestion mitigation and air quality, CMAQ)及國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)(nested air quality prediction model system, NAQPMS)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模式的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù),進(jìn)行定量評(píng)估,對(duì)比2 種預(yù)報(bào)模式在沈陽(yáng)市2019 年采暖季(1~3 月、11 月和12 月)的預(yù)報(bào)效果,以期為東北地區(qū)城市大氣污染變化和空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)工作的發(fā)展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。
研究監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自沈陽(yáng)市11 個(gè)環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)國(guó)控站,儀器監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)嚴(yán)格參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):GB 3 095—2012》[14]《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行):HJ 633—2012》[15]《環(huán)境空氣質(zhì)量技術(shù)評(píng)價(jià)規(guī)范(試行):HJ 663—2013》[16]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。
數(shù)值預(yù)報(bào)模式為嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)NAQPMS 模式及區(qū)域多尺度空氣質(zhì)量模型CMAQ模式。2 種模式均為前一日20 時(shí)發(fā)布未來(lái)3 日預(yù)報(bào),包括污染物濃度、AQI 和首要污染物。本研究選取2 種模式的24 h、48 h 和72 h 預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。
區(qū)域多尺度空氣質(zhì)量模型(CMAQ)是由美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(Environmental Protection Agency, EPA)開(kāi)發(fā)的第三代空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)和評(píng)估系統(tǒng),被廣泛應(yīng)用于區(qū)域環(huán)境質(zhì)量評(píng)估、污染成因分析、決策研究和空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)等方面。CMAQ 模式突破了傳統(tǒng)模式針對(duì)單一物種和單相物種的模擬,是一種適用于模擬城市或區(qū)域尺度臭氧、酸沉降、能見(jiàn)度和氣溶膠等的多尺度綜合空氣質(zhì)量模式,模式以WRF等中尺度氣象模式作為氣象驅(qū)動(dòng)模型,以SMOKE等源排放處理模型作為源處理模型。主要由邊界條件模塊、初始條件模塊、光分解速率模塊、氣象-化學(xué)預(yù)處理模塊和化學(xué)傳輸模塊構(gòu)成[17]?;瘜W(xué)轉(zhuǎn)化模塊是CMAQ 模式的核心模塊,其綜合考慮了污染物在大氣中的空氣動(dòng)力學(xué)過(guò)程、氣象化學(xué)過(guò)程、氣溶膠過(guò)程和云化學(xué)與動(dòng)力過(guò)程。
嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)(NAQPMS)由中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所研制,是區(qū)域和城市尺度三維歐拉化學(xué)傳輸模式[18]??赡M細(xì)顆粒物、臭氧、氮氧化物、二氧化硫和一氧化碳等大氣痕量氣體和大氣氣溶膠。被廣泛應(yīng)用于多尺度污染問(wèn)題的研究,不但可以研究區(qū)域尺度的空氣污染(沙塵、酸雨等污染物的跨區(qū)域傳輸),還可以研究城市尺度的空氣質(zhì)量的發(fā)生機(jī)理及變化規(guī)律,和不同尺度區(qū)域間空氣質(zhì)量變化的相互影響。
1.3.1 評(píng)估指標(biāo) 目前常用的空氣質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)很多,本研究選擇平均偏差(MB)、均方根誤差(RMSE)、平均分?jǐn)?shù)偏差(MFB)、平均分?jǐn)?shù)誤差(MFE)和相關(guān)系數(shù)(r)等統(tǒng)計(jì)指標(biāo),具體公式見(jiàn)文獻(xiàn)[19]。對(duì)2 種數(shù)值預(yù)報(bào)模式污染物濃度預(yù)報(bào)值預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率進(jìn)行檢驗(yàn),通過(guò)衡量預(yù)報(bào)值與實(shí)況值的偏離來(lái)評(píng)價(jià)預(yù)報(bào)結(jié)果的穩(wěn)定性及可行度。其中,MB 的大小主要表示樣本總體預(yù)報(bào)值比實(shí)況值偏大或偏小的數(shù)值;RMSE 反應(yīng)了預(yù)報(bào)值與實(shí)況值的差值,其值越接近0,表明預(yù)報(bào)效果越好;r 表示預(yù)報(bào)值與實(shí)況值逐漸變化趨勢(shì)的吻合程度,其值越接近1,表示預(yù)報(bào)效果越好;MFB、MFE 是2 個(gè)無(wú)量綱的統(tǒng)計(jì)量,合理預(yù)報(bào)范圍為-60%≤MFB≤60%、MFE≤75%;理想水平范圍-30%≤MFB≤30%、MFE≤50%。
1.3.2 城市預(yù)報(bào)評(píng)估 依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)成效評(píng)估方法指南》[20]要求,常規(guī)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)評(píng)估可使用城市AQI 范圍準(zhǔn)確率、AQI 級(jí)別準(zhǔn)確率及首要污染物準(zhǔn)確率。
AQI 范圍準(zhǔn)確率評(píng)估,當(dāng)預(yù)報(bào)級(jí)別為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染時(shí),預(yù)報(bào)范圍以實(shí)況值±15 為正確;當(dāng)預(yù)報(bào)級(jí)別為重度污染、嚴(yán)重污染時(shí),預(yù)報(bào)范圍以實(shí)況值±30 為正確,見(jiàn)式(1):
式(1)中,n表示AQI 范圍預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的天數(shù),N表示評(píng)估預(yù)報(bào)總天數(shù)。
AQI 級(jí)別準(zhǔn)確率評(píng)估,當(dāng)實(shí)況AQI 級(jí)別在預(yù)報(bào)結(jié)果范圍內(nèi),包含跨級(jí)別預(yù)報(bào),則預(yù)報(bào)正確,否則錯(cuò)誤,見(jiàn)式(2):
式(2)中,n表示AQI 級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的天數(shù),N表示評(píng)估預(yù)報(bào)總天數(shù)。
首要污染物準(zhǔn)確率評(píng)估,當(dāng)實(shí)況首要污染物為單一時(shí),預(yù)報(bào)首要污染物為1 個(gè),且與實(shí)況相同,則預(yù)報(bào)正確;若預(yù)報(bào)首要污染物為2 個(gè),且其中1 個(gè)與實(shí)況一致,則預(yù)報(bào)正確。當(dāng)實(shí)況首要污染物為多個(gè),若預(yù)報(bào)首要污染物與預(yù)報(bào)一致,則預(yù)報(bào)正確;若預(yù)報(bào)首要污染物為1 個(gè),與實(shí)況出現(xiàn)首要污染物中1 個(gè)相同,也記為預(yù)報(bào)正確。當(dāng)實(shí)況為優(yōu),無(wú)首要污染物,不做首要污染物預(yù)報(bào)評(píng)估,見(jiàn)式(3):
式(3)中,n表示首要污染物預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的天數(shù),N表示評(píng)估時(shí)段內(nèi)非優(yōu)預(yù)報(bào)總天數(shù)。
2019 年1~3 月、11 月和12 月為沈陽(yáng)市采暖期,占全年總天數(shù)41.4%。對(duì)比6 項(xiàng)主要污染物,采暖期僅臭氧濃度低于非采暖期,由于臭氧作為二次污染物,主要受溫度、太陽(yáng)輻射影響,由于冬季氣溫及太陽(yáng)輻射較夏季均偏低,臭氧光化學(xué)反應(yīng)減弱,臭氧濃度明顯低于夏季,見(jiàn)圖1。
圖1 2019 年采暖期與非采暖期主要污染物濃度變化對(duì)比
其他5 項(xiàng)污染物濃度均高于非采暖季,其中,細(xì)顆粒物(PM2.5)濃度升高幅度最大,達(dá)到100%,二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)和可吸入顆粒物(PM10)濃度上升幅度分別為75.0%、50.0%、57.1%和47.0%。2019 年采暖期與非采暖期不同空氣質(zhì)量類別天數(shù)占比,采暖期優(yōu)良天數(shù)占全年優(yōu)良天數(shù)的39.8%,中度及以上污染天數(shù)占全年80%,見(jiàn)圖2。進(jìn)一步對(duì)比采暖期不同污染類別首要污染物變化,見(jiàn)圖3。
圖2 2019 年采暖期與非采暖期各級(jí)別天數(shù)占比
圖3 2019 年采暖期不同污染類別首要污染物對(duì)比
當(dāng)AQI >50 時(shí)(良,輕度及以上污染),出現(xiàn)3 種首要污染物分別為NO2、PM10和PM2.5,PM2.5為首要污染物天數(shù)占總天數(shù)55.9%;AQI >100(輕度及以上污染)出現(xiàn)2 種首要污染物(PM10和PM2.5),PM2.5為首要污染物天數(shù)占總天數(shù)94.7%;AQI >150(中度及以上污染)僅出現(xiàn)PM2.5一種首要污染,占總天數(shù)100%。
空氣質(zhì)量類別及污染物濃度對(duì)比結(jié)果均顯示出采暖期空氣質(zhì)量差于非采暖季。當(dāng)污染程度越重,首要污染物逐漸單一且集中表現(xiàn)為PM2.5,PM2.5成為采暖季的主要污染物。因此本文以PM2.5來(lái)分析采暖季的2 種預(yù)報(bào)模式及其預(yù)報(bào)效果。
沈陽(yáng)市采暖期中CAMQ、NAQPMS 模式未來(lái)24、48 和72 h 的AQI 范圍預(yù)報(bào)、AQI 級(jí)別預(yù)報(bào)及首要污染物預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率,見(jiàn)表1。
表1 CAMQ、NAQPMS 模式AQI 預(yù)報(bào)效果評(píng)估對(duì)比
表1 可知,2 種模式的AQI 范圍預(yù)報(bào)、AQI 級(jí)別預(yù)報(bào)均表現(xiàn)出預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率隨預(yù)報(bào)時(shí)次延長(zhǎng)準(zhǔn)確率下降,即24 h 準(zhǔn)確率高于48、72 h。首要污染物預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率表現(xiàn)為各預(yù)報(bào)時(shí)次準(zhǔn)確率相差不大。AQI 范圍預(yù)報(bào)、AQI 級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)率最高的為CAMQ模式的24 h 預(yù)報(bào),準(zhǔn)確率分別為43.7%、74.2%;首要污染物預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最高的為NAQPMS 模式48 h預(yù)報(bào),準(zhǔn)確率為60.9%。
2 種預(yù)報(bào)模式中僅48 h 首要污染物預(yù)報(bào)NAQPMS 模式略高于CAMQ 模式,其他各預(yù)報(bào)時(shí)次的AQI 范圍預(yù)報(bào)、AQI 級(jí)別預(yù)報(bào)及首要污染物預(yù)報(bào)均表現(xiàn)為CAMQ 模式準(zhǔn)確率高于NAQPMS 模式。綜合3 種評(píng)估分析,CAMQ 模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率優(yōu)于NAQPMS 模式。
3.2.1 時(shí)間序列對(duì)比 分別利用未來(lái)24、48 和72 h PM2.5預(yù)報(bào)濃度值與PM2.5實(shí)況濃度進(jìn)行2019 年采暖季PM2.5日均濃度對(duì)比分析。通過(guò)預(yù)報(bào)及實(shí)況濃度時(shí)間序列對(duì)比,來(lái)評(píng)估預(yù)報(bào)模式對(duì)污染物濃度累積及清除的預(yù)報(bào)能力。CAMQ、NAQPMS 模式在3 種預(yù)報(bào)時(shí)次中對(duì)PM2.5濃度預(yù)測(cè)值與實(shí)況值的變化趨勢(shì)基本相似,說(shuō)明2 種模式對(duì)PM2.5濃度累積及清除過(guò)程具有一定的預(yù)報(bào)能力,但預(yù)報(bào)值與實(shí)況值仍存在一定偏差,預(yù)報(bào)模式均有優(yōu)化空間,見(jiàn)圖4。
圖4 2019 年采暖期CAMQ、NAQPMS 模式PM2.5 日均值預(yù)測(cè)與實(shí)況對(duì)比
2 種預(yù)報(bào)模式在24、48 和72 h 預(yù)報(bào)中,在11 月19~21 日、12 月7~8 日、12 月13~15 日和12 月20~21 日均出現(xiàn)明顯預(yù)報(bào)偏高情況,且預(yù)報(bào)趨勢(shì)與實(shí)況相反。2 種模式還存在對(duì)PM2.5濃度的峰值預(yù)判過(guò)度情況,1 月10~12 日、3 月19~21 日和11 月19~20 日出現(xiàn)預(yù)報(bào)濃度過(guò)高情況。
3.2.2 散點(diǎn)圖分析 散點(diǎn)圖用于對(duì)比成對(duì)的數(shù)值,對(duì)模型的模擬值與實(shí)況監(jiān)測(cè)值間時(shí)空配對(duì)后,用來(lái)分析模式預(yù)報(bào)值與實(shí)況值的吻合程度,并可反映出預(yù)報(bào)值對(duì)實(shí)況值的高估或低估。設(shè)預(yù)報(bào)值處于實(shí)況值的0.5~2 倍范圍內(nèi)認(rèn)定為預(yù)報(bào)值可接受,采用FAC 表示預(yù)報(bào)值在實(shí)況值0.5~2 倍范圍內(nèi)的比例。
2019 年采暖期CAMQ 模式PM2.5濃度預(yù)報(bào)效果優(yōu)于NAQPMS 模式,CAMQ 模式PM2.5濃度預(yù)報(bào)值基本集中在y=x 附近,且呈收斂趨勢(shì);而NAQPMS 模式PM2.5濃度預(yù)報(bào)值呈現(xiàn)明顯偏高情況,多數(shù)集中在y=x 于y=2x 間,且隨預(yù)報(bào)時(shí)間延長(zhǎng),預(yù)報(bào)高估情況愈加明顯。2019 年采暖期CAMQ模式的PM2.5濃度預(yù)報(bào)值FAC 整體高于NAQPMS模式,隨預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)增加而降低。CAMQ 模24 h 預(yù)報(bào)FAC 最高,達(dá)到88.7%,NAQPMS 模式48 h、72 h的FAC 最低,為65.6%,見(jiàn)圖5。
圖5 2019 年采暖期CAMQ、NAQPMS 模式PM2.5 日均值散點(diǎn)圖
3.2.3 統(tǒng)計(jì)分析 通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析對(duì)CAMQ、NAQPMS模式PM2.5日均濃度預(yù)測(cè)能力進(jìn)行定量評(píng)估。2 種預(yù)報(bào)模式的預(yù)報(bào)效果,見(jiàn)表2。
表2 2019 年采暖期CAMQ、NAQPMS 模式PM2.5 濃度預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)分析
對(duì)比多種統(tǒng)計(jì)指標(biāo),CAMQ、NAQPMS 模式對(duì)PM2.5的預(yù)報(bào)能力均表現(xiàn)出預(yù)報(bào)時(shí)次越短,預(yù)報(bào)效果更優(yōu),24 h 預(yù)報(bào)效果最優(yōu),48 h 次之,72 h 最差。從2 種預(yù)報(bào)模式預(yù)報(bào)值與實(shí)況值的MB 來(lái)看,CAMQ、NAQPMS 模式預(yù)報(bào)值均高于實(shí)況值,偏離程度隨預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)增加而增大,CAMQ 模式PM2.5濃度預(yù)報(bào)偏高在1.25~11.38 μg/m3之間,NAQPMS模式預(yù)報(bào)偏高在26.52~35.19 μg/m3之間。NAQPMS模式預(yù)報(bào)值的偏離程度大于CAMQ 模式。2 種預(yù)報(bào)模式對(duì)PM2.5濃度預(yù)報(bào)的NMB、NME 和R2均符合-50%<NMB<80%,NME<150%,R2>0.3 要求,CAMQ 模式的NMB、NME 均<50%,預(yù)報(bào)效果優(yōu)于NAQPMS 模式。2 種預(yù)報(bào)模式對(duì)PM2.5濃度預(yù)報(bào)的RMSE 表現(xiàn)為CAMQ 模式每個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)次的RMSE 均小于NAQPMS 模式,CAMQ 模式預(yù)報(bào)值與實(shí)況值偏差小于NAQPMS 模式。2 種預(yù)報(bào)模式MFB 及MFE 評(píng)估結(jié)果顯示,CAMQ 模式3 個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)次的MFB 及MFE 均處于理想范圍內(nèi),NAQPMS模式的MFB 及MFE 則落于合理范圍。綜合多種統(tǒng)計(jì)指標(biāo),CAMQ 模式對(duì)PM2.5濃度預(yù)報(bào)效果優(yōu)于NAQPMS 模式。
本研究基于2019 年采暖期(2019 年1~3 月、11 月和12 月)空氣質(zhì)量實(shí)況值,采用CAMQ、NAQPMS 模式模擬了沈陽(yáng)市PM2.5濃度,評(píng)估了2 種模式對(duì)單一污染物的預(yù)報(bào)能力。以統(tǒng)計(jì)等級(jí)、范圍和首要污染物準(zhǔn)確率評(píng)估了預(yù)報(bào)模式對(duì)污染物綜合預(yù)報(bào)能力。以上結(jié)果均表現(xiàn)出CAMQ 模式優(yōu)于NAQPMS 模式,可為人工訂正預(yù)報(bào)提供參考。
(1)沈陽(yáng)市采暖期環(huán)境空氣質(zhì)量污染程度重于非采暖期,采暖期除臭氧外其他5 項(xiàng)污染物濃度均高于非采暖季,采暖期細(xì)顆粒物濃度較非采暖期上升幅度達(dá)到100%。采暖期中度及以上污染占全年80%,首要污染物以細(xì)顆粒物為主。
(2)CAMQ、NAQPMS 模式等級(jí)、范圍和首要污染物準(zhǔn)確率均為24 h 預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最高,而CAMQ模式的24 h 等級(jí)、范圍和首要污染物準(zhǔn)確率高于NAQPMS 模式,CAMQ 模式綜合預(yù)報(bào)能力更優(yōu)。
(3)時(shí)間序列對(duì)比結(jié)果顯示2 種預(yù)報(bào)模式預(yù)報(bào)值與實(shí)況值總體時(shí)間變化趨勢(shì)一致,但仍存在偏差,均表現(xiàn)為預(yù)報(bào)值明顯高估。散點(diǎn)圖對(duì)比結(jié)果顯示2 種模式對(duì)細(xì)顆粒物濃度預(yù)報(bào)均存在不同程度高估,隨預(yù)報(bào)時(shí)次增加,偏高程度增大。CAMQ 模式24 h 預(yù)報(bào)的可接受度最高,為88.7%。
(4)利用統(tǒng)計(jì)分析對(duì)比2 種模式對(duì)細(xì)顆粒物預(yù)報(bào)效果進(jìn)行定量評(píng)估,CAMQ、NAQPMS 模式對(duì)PM2.5的預(yù)報(bào)能力均表現(xiàn)出預(yù)報(bào)時(shí)次越短,預(yù)報(bào)效果更優(yōu)。CAMQ 模式預(yù)報(bào)效果優(yōu)于NAQPMS 模式。CAMQ 模式3 個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)次預(yù)報(bào)效果均達(dá)到理想水平。